基于CAN總線技術(shù)的礦用隔爆型電磁起動器通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張秋琳

【摘要】 礦用隔爆型電磁起動器是煤礦井下主要的電氣設(shè)備。本文在分析煤礦安全生產(chǎn)形勢和CAN總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合CAN總線技術(shù)以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心設(shè)計(jì)礦用隔爆型電磁起動器通訊系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了eCAN通訊硬件電路和軟件程序，通訊系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)DSP和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。

【關(guān)鍵詞】 eCAN總線 煤礦 起動器 通訊系統(tǒng)

近年來，我國煤礦安全生產(chǎn)形勢持續(xù)好轉(zhuǎn)，然而復(fù)雜的煤礦開采環(huán)境和開采強(qiáng)度的增加長期制約煤炭行業(yè)的健康發(fā)展。瓦斯爆炸是煤礦井下重要的安全生產(chǎn)事故，當(dāng)井下瓦斯等可燃性氣體濃度過高時(shí)遇到火花就會產(chǎn)生爆炸，直接威脅煤礦安全生產(chǎn)工作的開展。礦用隔爆型電磁起動器用于直接或遠(yuǎn)距離起動、停止或者正反轉(zhuǎn)控制三相異步電動機(jī)，同時(shí)具有對電動機(jī)過載、短路和漏電等故障的保護(hù)功能，廣泛運(yùn)用在煤礦井下通風(fēng)機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)和皮帶機(jī)等電氣設(shè)備中。開展礦用隔爆型電磁起動器通訊系統(tǒng)的研究能夠?qū)崟r(shí)將電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，對于提高井下設(shè)備穩(wěn)定性和保障安全生產(chǎn)順利開展具有重要的意義，同時(shí)也加快了智能化礦井的建設(shè)步伐，加快現(xiàn)代化煤礦技術(shù)的快速實(shí)現(xiàn)。

一、 CAN總線技術(shù)

1.1 CAN總線

現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今自動化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，為分布式控制系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠通訊提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)（Control Area Network，CAN）的簡稱，是一種能夠支持分布式控制或?qū)崟r(shí)通訊的串行通訊總線。CAN總線技術(shù)最早為了適應(yīng)汽車電子技術(shù)的需求開發(fā)出來的，屬于目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。近年來CAN總線憑借其結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、靈活性強(qiáng)和良好的錯(cuò)誤檢測能力，被廣泛運(yùn)用到汽車系統(tǒng)通訊、電網(wǎng)監(jiān)測、電氣設(shè)備檢測與通訊等技術(shù)領(lǐng)域。

CAN總線采用多主串行通訊協(xié)議，可以有效的支持分布式實(shí)時(shí)控制，通訊速率最高可達(dá)1Mb/s。CAN總線的數(shù)據(jù)幀有幾個(gè)字節(jié)（最多8個(gè)字節(jié)）組成，從而提高了總線對于新的數(shù)據(jù)幀響應(yīng)時(shí)間。CAN總線在傳送數(shù)據(jù)時(shí)每個(gè)消息都有自己的標(biāo)示符，以此識別不同消息在總線上的節(jié)點(diǎn)，保證在產(chǎn)生總線沖突時(shí)，具有更高優(yōu)先級的消息沒有延時(shí)傳輸。

1.2 eCAN模塊

eC28x處理器的CAN控制器為CPU提供完整的CAN協(xié)議，減少了通信時(shí)CPU的開銷。eCAN控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是32位的，主要由CAN協(xié)議內(nèi)核（CPK）和消息控制器構(gòu)成。CAN協(xié)議內(nèi)核接受到有效的消息后，消息控制器的接收控制單元確定是否將接收到的消息存儲郵箱存儲器中。接收控制單元檢查消息的狀態(tài)、標(biāo)識符和所有消息對象的濾波，確定相應(yīng)郵箱的位置，接收到的消息經(jīng)過接收濾波后存放到第一個(gè)郵箱。

二、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用隔爆型電磁起動器通訊系統(tǒng)將DSP采集的系統(tǒng)信息通過CAN通訊技術(shù)發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)DSP控制系統(tǒng)與上位機(jī)之間的實(shí)時(shí)通訊。通訊系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，首先以數(shù)字信號處理器TMS320F2812為核心結(jié)合CAN總線通訊轉(zhuǎn)換器SN65HVD23X設(shè)計(jì)通訊系統(tǒng)的硬件電路，然后將在DSP軟件編譯環(huán)境CCS3.3中將匯編語言、C語言或其他高級語言編寫的通訊系統(tǒng)軟件程序進(jìn)行編譯、調(diào)試，最后將調(diào)試好的程序燒寫到硬件電路中，完成通訊系統(tǒng)整體調(diào)試和驗(yàn)證。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

TMS320F2812的eCAN總線控制器的邏輯電平均采用LVTTL方式，因?yàn)長VTTL方式的電壓多為低電壓，如3.3V、2.5V等，這樣不但可以降低功耗也可以縮小電路體積。為了實(shí)現(xiàn)eCAN模塊與CAN物理總線之間的電平匹配，選用SN65HVD230作為轉(zhuǎn)換器，該芯片具有差分收發(fā)能力、抗干擾能力強(qiáng)和收發(fā)速率快等特點(diǎn)，更好的符合礦用隔爆型電磁起動器通訊系統(tǒng)的信息傳輸要求。

總線末端連接120Ω電阻R1和R2，用于傳輸線的阻抗匹配，增加通訊系統(tǒng)的抗干擾能力，CAN總線與DSP之間連接電路如圖1所示。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

在使用CAN通訊前需要對其進(jìn)行初始化操作，具體步驟為：使能CAN模塊時(shí)鐘；設(shè)置CANTX和CANRX作為通信引腳；復(fù)位后將CCR位和CCE位置1，允許用戶配置位時(shí)間配置寄存器；使用適當(dāng)值對CANBTC進(jìn)行配置，確認(rèn)TSEG1和TSEG2不等同于0；編程接收屏蔽寄存器（標(biāo)準(zhǔn)CAN模式）；編程主控制寄存器；清零MSGCTRLn寄存器所有位進(jìn)行初始化；檢查CCE是否清零，假如被清零表明CAN模塊配置完成。

eCAN模塊消息接收時(shí)，掛起寄存器（CANRMP）相應(yīng)的標(biāo)志位置位，同時(shí)會使相應(yīng)的中斷標(biāo)志位置位產(chǎn)生中斷，然后CPU可以讀取接收郵箱數(shù)據(jù)寄存器中接收到的數(shù)據(jù)。eCAN模塊發(fā)送消息過程主要包括系統(tǒng)初始化、郵箱初始化、發(fā)送傳輸設(shè)置以及等待傳輸響應(yīng)等幾個(gè)步驟，具體發(fā)送流程如圖2所示。

圖2 CAN通訊消息發(fā)送流程圖

三、結(jié)束語

礦用隔爆型電磁起動器通訊系統(tǒng)將DSP的eCAN通訊模塊運(yùn)用到煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，能夠?qū)崟r(shí)將DSP控制器采集的電動機(jī)狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，通過CAN總線將動作指令發(fā)送給控制器，提高井下電動機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，減少井下生產(chǎn)事故，降低安全生產(chǎn)的事故和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李光范，高克利等.智能電網(wǎng)控制技術(shù)及其發(fā)展.科技導(dǎo)報(bào)，2010，28（23）：113-117.

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